Тёплый пол Теплолюкс
+7 (495) 229–39–84 Москва

Электричество от Солнца

Наша Солнечная Система в сравнении с другими звездными системами является относительно не большой. Ученые называют наше Солнце карликовой звездой, а в других галактиках есть гиганты и сверхгиганты, например, Арктур, звезда Пистолет, VY Большого Пса (гипергигант). Но и наша небольшая по сравнению с ними звезда Солнце вырабатывает огромное количество энергии, и можно привести такое сравнение: за одну секунду Солнце вырабатывает такое количество энергии, которое человечество не смогло выработать за всю свою историю. Наше Солнце - это огромнейший термоядерный реактор, и запаса его энергии хватит более, чем на 5 миллиардов лет. Технологию получения электричества из солнечного света ученые открыли уже давно, еще в 20 веке, а на сегодняшний день перед учеными и изобретателями стоит другой актуальный вопрос: как получать электричество из солнечной энергии эффективно и с наименьшими потерями и затратами.

Углеводородные ресурсы нашей планеты ограничены. Атомная энергетика несет в себе потенциальную угрозу, а человечество ежедневно требует энергии все больше и больше. Поэтому многие ученые занимаются разработкой проектов извлечения электроэнергии из энергии солнца. Подсчитано, все электростанции Земли за год вырабатывают более 20 тысяч миллиардов киловаттчасов. Если покрыть солнечными батареями площадь в 66000 км2, то можно получить такое же количество электроэнергии за счет работы солнечных батарей. Эта площадь меньше одного процента от площади пустыни Сахары, и почти вся площадь острова Шри-Ланка. Таким образом, путем закрытия солнечными батареями относительно небольшой площади, потребность всего человечества в электроэнергии может быть решена.

Традиционный способ получения энергии от Солнца заключается в использовании солнечных батарей с тонкими кремниевыми пластинками. Солнечные батареи по-другому называют солнечными электростанциями. Они состоят из солнечной панели (прозрачный короб, внутри которого находится тонкий слой кристаллического кремния в виде квадратиков). Это является основной частью солнечной батареи. Пластины, из которых собирают солнечные батареи - это фотоэлементы, и они состоят из тонких кремниевых пластин, на которые нанесена контактная сетка. Размеры пластины примерно 20 см на 20 см.

Вырощенный кремний (Si) для солнечных панелей

Кремний - это широко распространенный химический элемент. Соединение оксида кремния находится во всей земной коре. Диоксид кремния (SiO2) содержится в речном песке, но для солнечных батарей такой не чистый кремний не применяется. Сперва кремний надо освободить от кислорода путем многоступенчатой очистки, например путем прокаливания песка с коксом при высокой температуре.

Монокремний

Монокремний - это кристаллы чистого кремния. Его-то и используют в изготовлении солнечной батареи. Монокремний выращивают искусственно в заводских условиях. Монокремнием этот материал называют потому, что вся его внутренняя структура упорядочена и выстроена абсолютно одинаково.

Технология выращивания кремния

Технология выращивания кремния

Очищенный от кислорода кремний - это бесформенные кусочки небольшого размера. Внешне это похоже на каменный уголь, он тоже черного цвета. Но в таком виде кремний для использования в солнечных панелях тоже не годится - кремний должен иметь упорядоченную структуру и определенную форму. Для этого выращивают кристаллы монокремния.

Процесс выращивания монокремния можно сравнить с плавлением бесформенного железа и получением из него деталей нужной формы при плавлении. Очищенный кремний помещают в тигель и раскаляют там до температуры 1500С°. После чего кремний превращается в бурлящую лаву. Дальше в эту лаву опускают форму (основу) будущего кристалла, и далее кремний нарастает на эту основу слой за слоем, как годичные слои у дерева. Этот процесс длится чуть более 40 часов. После чего кристалл охлаждается в течение трех часов. По окончании процесса получается монокремний.

На следующем этапе деталь проходит калибровку и механическую обработку. Закругления срезаются, и цилиндр становится параллепипедом. Далее эту заготовку разрезают на тонкие пластины толщиной порядка 180 - 200 микрон (не толще человеческого волоса).

Станок для резания кремния

Режущая часть этого станка - это не пила, а режущая нить, она тонкая и прочная. Нить длиной 5 км наматывается на валик. Расстояние между соседними нитками во время резки кремния составляет 340 микрон. Скорость движения нити - 10 метров в секунду. Процесс резки занимает несколько часов, после чего получившиеся пластины проверяют на наличие сколов.

Производство солнечных панелей

Перед сборкой солнечной панели каждую кремниевую пластинку проверяют под искусственным солнечным светом (яркая вспышка, похожа на вспышку фотоаппарата). Яркость этой вспышки заранее известна, и по математическим формулам высчитывается количество энергии, которую может преобразовывать эта пластина из солнечного света.

Как кремний преобразует солнечный свет в электрический ток

Завод по производству кремния для солнечных панелей

Из уроков физики и электротехники известно, что электрический ток возникает от разности потенциалов (разного количества положительно и отрицательно заряженных частиц). Для создания условия появления разности потенциалов на кремниевой пластинке в нее при изготовлении добавляется два химических элемента: бор и фосфор.

В слое кремния, в который добавлен фосфор возникают свободные электроны. Это так называемый N-тип части пластины, а в слое кремния с бором - отсутствующие электроны, так называемые дырки, и эта сторона пластины называется P-тип. Внутри кремниевой пластинки посередине, так, где проходит граница между бором и фосфором возникает электрическое поле, оно называется P-N-переход.

Когда Солнце светит на эту пластину, фотоны света попадают на эту кремниевую пластинку и из атомной решетки они выбивают электроны и дырки, а оказавшись в зоне действия поля они приобретают направленное движение соответствии со своим зарядом, и выбитые избыточные электроны начинают стремиться компенсировать отсутствие электронов на стороне с дырками в противоположной части пластины. Между двумя сторонами кремниевой пластины начинает возникать напряжение, то есть появляется электрический ток.

Сборка солнечных панелей

Производство солнечных панелей

Технологический процесс состоит из следующих шагов: на каждую сторону кремниевой пластинки припаивают проводник. По этим проводникам будут перемещаться свободные электроны с солнечной стороны пластины на теневую сторону (для возникновения электрического тока). Далее из отдельных пластин формируют цепочки, и количество таких цепочек напрямую влияет на мощность солнечной батареи. Одна кремниевая пластина размером 20 см на 20 см выделяет 20 Вт при напряжении 0,6 Вольт. В одной цепочке десять пластин, и мощности такой цепочки хватит для подключения, например, небольшого телевизора, радиоприемника.

Далее несколько цепочек скрепляют между собой и ламинируют (покрывают защитной пленкой). Это позволяет изготавливать солнечные панели гибкими. Гибкие солнечные батареи являются переносными, их, например, можно использовать в походе для зарядки мобильного телефона. После чего собранные цепочки закрепляют в твердой рамке. Готовая панель называется солнечным модулем. Собранный солнечный модуль проходит итоговую проверку в солнечном тестере. Солнечный тестер производит яркую вспышку, направленную на панель, и в момент вспышки измеряются параметры вырабатываемого электрического тока.(напряжение и сила тока).

Бесплатное электричество от Солнца

Солнечные панели для производства электроэнергии

Мы не знаем, как будет в будущем, но сегодня за Солнце никто и никому не платит. А производство солнечных панелей не дешево. Получение электроэнергии из бесплатного солнечного света довольно дорого стоит, из-за стоимости самого оборудования: солнечные панели, аккумуляторы, в которых сохраняется электричество, устройства, связующие совместную работу панелей и аккумуляторов, и при этом коэффициент полезного действия современных солнечных панелей на кремниевых модулях составляет порядка 24%. Поэтому применение солнечных панелей широко не распространено, однако, есть такое мнение, что со временем, когда оплата за электроэнергию в городских сетях станет слишком дорогой, а солнечные панели станут дешевыми, то популярность этих панелей заметно возрастет. И кроме того, люди, скорее всего начнут использовать другие альтернативные источники для производства электроэнергии.

Для сравнения мощности четырех световых панелей размерами 1 м на 2 метра хватит для того, чтобы обеспечить электроэнергией вашу двухкомнатную квартиру: освещение, телевизор, холодильник, компьютер и прочая бытовая техника.

Система солнечной электростанции для загородного дома состоит из следующих элементов: солнечный модуль (световая панель), аккумуляторы постоянного тока на 12 Вольт для хранения накопленного электричества, контроллер, управляющий зарядкой аккумуляторов, инвертор (преобразователь постоянного тока в переменный ток). При установке такой системы (системы солнечного электричества) загородный дом становится полностью независимым от городской электросети.

Самая большая солнечная электростанция в мире

Одна из самых больших солнечных электростанций в мире находится в Германии в Баварии, городок Тюнген. Ближайший крупный город - это Дрезден, он находится в 350 км. Но расстояние до потребителей не имеет существенного значения, так как электричество передается по электросетям. Электроэнергия вырабатывается из 85000 солнечных панелей, расположенных на территории 40 гектра. Солнечные панели установлены рядами с углом наклона в 25°.

Такой наклон панелей позволяет солнечному свету в полдень светить на панель под прямым углом, что позволяет вырабатывать максимум электроэнергии. Эти панели имеют механическую защиту от дождя, града, от попадания посторонних предметов. Технические специалисты появляются на этой электростанции раз в две недели для осмотра и обслуживания оборудования, а в остальное время все работает автономно.

Устройство электростанции таково: солнечные модули подключены последовательно в серии, электричество из них поступает на инвертеры, где постоянный ток преобразуется в переменный ток, а также среднее напряжение повышается до высокого напряжения 20 кВ через повышающие трансформаторы. Далее электроэнергия поступает на подстанцию, установленную здесь же неподалеку, и далее с подстанции электроэнергия передается в магистральную электросеть.

Почему солнечных электростанций мало?

При очевидных плюсах солнечных электростанций (бесплатный неисчерпаемый источник электроэнергии) в таких электростанциях есть и минусы:

Но несмотря на то, что больших солнечных электростанций по всему миру достаточно мало, и под их строительство не хотят отдавать большие площади, солнечные панели используются в локальных местах все чаще, например: на крышах автомобилей, судов, в космических аппаратах, и скорее всего в будущем солнечных панелей будут применяться все чаще и чаще.

Солнечное электричество в странах мира

В Швейцарии уже созданы автомобили, которые ездят на солнечной энергии, есть солнечный мотоцикл, солнечный стадион, солнечный самолет, солнечное судно.

Солнечный катамаран MobiCat - экологически чистый без двигателя внутреннего сгорания

На крыше этого катамарана расположены 240 солнечных панелей, они могут вырабатывать мощность до 20000 Ватт. Но для движения судна этой мощности мало. На этом судне установлены два электродвигателя мощностью 81 кВт каждый, и обычно эти двигатели работают на 14 кВт. При включении обоих двигателей одновременно их потребляемая мощность составляет 28 кВт, и мощности световых панелей недостаточно для их нормальной работы, поэтому электродвигатели работают от аккумуляторов, которые заряжаются от солнечных панелей.

В яркий безоблачный день судно может двигаться и без аккумуляторов, получая электроэнергию напрямую от солнечной панели и передавая ее к двигателям. Скорость катамарана составляет при этом около 7 км/ч. Двигается этот катамаран бесшумно, и даже в моторном отсеке звука от электродвигателя почти не слышно. При движении от аккумуляторов скорость судна также не высокая (около 8 км/ч).

Управление судном - весьма трудоемкий процесс. Во-первых, надо постоянно контролировать заряд аккумуляторов и рассчитывать движение катамарана так, чтобы заряда хватило на возвращение домой. При этом следует учитывать такие факторы, как облачность и ветер, так как от этих факторов зависит расход аккумуляторами электроэнергии.

Но этот катамаран создан в единственном экземпляре, и выпуск второго такого судна пока не планируется.

Солнечная электростанция в России

От солнечных панелей получает электричество здание, в котором находятся офисы, бильярдный клуб, кафе, автосервис. Здание двухэтажное, находится за городом. Площадь здания 1155 м2. Стоимость системы солнечного электроснабжения составила около 2,5 миллионов рублей. При стоимости одного киловаттчаса 5 рублей от городской электросети эта электростанция окупится через 8 лет.

Солнечная панель установлена под углом с возможностью изменения этого угла, например, во время снегопада для снижения количества снега, падающего на панель, а для того, чтобы сбросить с нее снег, ее поворачивают вертикально. Изменение угла наклона осуществляется в автоматическом режиме.

Швейцария. Солнечная канатная дорога

Канатная дорога на солнечных батареях

Горнолыжный комплекс состоит из горнолыжной базы, ресторан, канатная дорога, которой управляет мощный электродвигатель. На крыше здания установлено 480 м2 солнечных панелей, и выделяемая мощность - 48 кВт. Стоимость этой установки составила 0,5 миллиона швейцарских франков. Хозяин этого горнолыжного комплекса за счет солнечных панелей обеспечивает электроэнергией не только свое хозяйство, но и продает избыток электроэнергии местной электросетевой компании, но при этом он еще и покупает электроэнергию у той же местной электросети. То есть он покупает и продает электричество.

Заказчик строительства рассуждал так: каждый день погода разная - сегодня солнечно, завтра пасмурно. И количество требуемой электроэнергии также не постоянно - сегодня много посетителей, завтра мало посетителей. Поэтому он решил так: всю вырабатываемую солнечными панелями электроэнергию продавать в местную электросеть, а для нужд своей базы закупать ровно столько электроэнергии, сколько требуется. За год (по неподтвержденным данным) ему удалось заработать 100 франков.

В зимнее время есть проблема закрытия панелей от Солнца снегом. Для борьбы с этой проблемой используются два устройства: установлены снегозадержатели, которые не дают снегу с крыши съезжать на панели, по границе вдоль солнечной панели установлена труба, внутри которой течет горячая вода. Эта нагретая труба оплавляет съехавший на панель снег. Правда, выяснить, как происходит борьба со снегом, уже упавшим на панель не удалось.

Концентраторный солнечный модуль

Солнечные модули в институте им. Йоффе

В Санкт-Петербурге в Физико-Технический институте имени Йоффе. разрабатываются солнечные панели нового типа. Новая модель такова:: вместо кремниевых пластин используются многослойные композитные чипы каскадного типа, а вместо защитного прозрачного стекла - линза Френеля. Коэффициент полезного действия у таких панелей выше, чем у кремниевых, и составляет порядка 43%. Размер такого чипа маленький - примерно 5 мм на 5 мм, и эти чипы монтируют в цепочки, а сверху устанавливают линзы Френеля, которые концентрируют количество падающего света. За счет этого повышается эффективность работы такой панели, и одновременно, снижается ее себестоимость. В каждой панели находятся каскадные миниатюрные фотоэлементы, которые преобразуют большее количество солнечного света в электроэнергию. Свет дополнительно фокусируется на них за счет прохождения через увеличительные стекла (через линзы Френеля). Солнечная панель устанавливается на поворотном механизме для того, чтобы быть постоянно развернутой к Солнцу. Стоимость такой системы ниже традиционной кремниевой солнечной панели.

Недостатки такой системы: в пасмурную погоду линзы не фокусируют солнечный свет, а достоинства следующие: концентраторный солнечный модуль по сравнению с кремниевым вырабатывает энергии больше в два раза при одинаковых размерах панелей.

Есть вопросы? Спрашивайте, ответим!

 

Консультация и срочная доставка
тёплых полов Теплолюкс
Национальный Комфорт
Теплолюкс-Profi

Выезд на замер помещения

Москва + 7 (495) 229–39–84

2293984@mail.ru

Добавить сайт в закладки